KR0158161B1 - 가변 임계 미소 스위치 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

단일 스위치 내에서 전극간 접속 혹은 정전 용량 급속변화에 필요한 가속도 또는 전압의 임계치를 전기적으로 조절할 수 있으며, 양방향 스위치 임계치를 각각 독립적으로 조절할 수 있는 가변 임계 미소 스위치를 제공할 목적으로; 실리콘 기판으로 이루어지며, 그 길이방향 중앙부의 상하부가 소정의 폭을 갖고 요입되어, 단면에서 볼 때 중앙부분이 소 두께부로 이루어지고, 그 양측 부분이 대 두께부로 이루어지며, 그 중앙부에 장방형의 공간부가 형성되는 베이스 플레이트와; 상기 베이스 플레이트의 공간부 하측을 제외한 부분에 2중으로 도포되며, 상기 공간부의 상측부에는 길이방향 양측이 절취되어 양단 고정보가 되도록 형성되는 내,외측 박막층과; 상기 양단 고정보의 중간부에 부착되어 현수되는 질량체와; 상기 양단 고정보와 질량체의 하측으로 형성되는 상,하부 전극과; 상기 베이스 플레이트의 양 대폭부 상하면에 형성되는 접착부 상,하부 전극과; 일면으로 띠상의 전극이 형성되어 이의 전극이 양단 고정보와 직교되는 방향에서 베이스 플레이트의 상하면에 부착되는 상,하부 유리를 포함하여 이루어지는 가변 임계 미소 스위치를 제공한다.

Description

가변 임계 미소 스위치 및 그 제조방법

제1도는 본 발명에 의한 미소 스위치의 사시도.

제2도는 제1도의 A-A선 단면도.

제3도는 제1도의 B-B선 단면도.

제4도는 본 발명의 작동원리를 설명하기 위해 초기변형 상태를 보인 도면.

제5도는 본 발명에 의한 미소 스위치의 제조 공정도.

제6도는 본 발명에 의한 미소 스위치의 전극간에 인가된 전압에 따른 접속전류의 량을 측정한 성능 실험 그래프선도.

제7도는 본 발명에 의한 미소 스위치의 양단 고정보 길이를 다르게 하고, 그 중앙부에 동일질량을 달았을 때의 전극양단에 걸리는 전압의 조절에 따른 임계 가속도 조절 가능범위를 예측한 그래프 선도.

제8도는 종래 미소 스위치의 일 실시예도이다.

본 발명은 자동차, 철도차량, 항공기, 가전제품, 산업용 기기 등에 널리 적용되고 있는 미소 스위치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가속도 또는 전압을 측정하고, 특정 임계치 이상의 측정값에서 스위치가 작동할 수 있도록 한 가변 임계 미소 스위치 및 그 제조방법에 관한 것이다.

예컨대, 실리콘을 이용하여 질량과 스프링을 제작한 일체형 가속도 임계 스위치의 일 실시예로서는 제8도에서와 같이, 실리콘 기판(100)의 중간부에 형성되는 공간부(102)에 등간격으로 외팔보 형태의 스프링 편(104)을 일체로 다수 형성하고, 이들 스프링 편(104) 선단에는 질량체(106)를 형성하였다.

그리고 상기 스프링 편(104)의 상면에는 각각 단자(108)를 형성하였으며, 상기 실리콘 기판(100)의 상면으로 배치되는 유리판(110)의 저면에는 상기 단자(108)와 대응되는 위치에 전극(112)을 형성하고, 이의 전극(112)들은 일측단이 상호 연결되어 실리콘 기판(100)의 일측으로 배치되는 단자(114)와 연결되는 구성을 갖는다.

상기에서 스프링 편(104)과 질량체(106)가 일체로 형성되는 스위치 열(Array)을 다양한 임계 가속도에서 작동할 수 있도록 스프링 편(104)의 탄성력과, 질량체(106)의 질량이 다르게 설정된다.

그러나 상기와 같은 외팔보형 임계 스위치에 있어서는 다수의 스위치 열에 의하여 다양한 임계 가속도 요구를 만족시킬 수 있다는 장점은 있으나, 측정해야 할 임계 가속도의 범위 및 임계 가속도 구간이 불 연속적이고, 다수의 스위치 열을 형성하여야 함으로써, 스위치 전체의 크기가 커진다는 문제점이 있다.

또한, 스위치의 제작 후 발생하는 제작오차를 보상할 수 없다는 문제점이 있다.

그리고 종래의 다른 실시예로서는, 일본국 공개특허 평2-26033호의 마이크로 메카니칼 스위치의 제조방법이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 본 발명의 목적은 단일 스위치 내에서 전극간 접속 혹은 정전 용량 급속변화에 필요한 가속도 또는 전압의 임계치를 전기적으로 조절할 수 있으며, 양방향 스위치 임계치를 각각 독립적으로 조절할 수 있는 가변 임계 미소 스위치 및 그 제조방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 박막 형성공정의 조건변화로 박막내의 잔류응력을 조절하고 이를 통하여 이중 혹은 다층 박막 구조물의 양방향 스냅스루(Snap-through) 현상을 이용하여 초기변형을 조절할 수 있는 가변 임계 미소 스위치 및 그 제조방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 동일재질을 가공하여 스프링 및 질량체와 접착홈을 일체화하고, 식각 방지층과 절연층 혹은 식각 방지층과 도체를 동일재질로 형성할 수 있는 가변 임계 미소 스위치 및 그 제조방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 자기 진단과 실험기능이 내장되는 가변 임계 미소 스위치 및 그 제조방법을 제공함에 있다.

이를 실현하기 위하여 본 발명은, 실리콘 기판을 이루어지며, 그 길이방향 중앙부의 상하부가 소정의 폭을 갖고 요입되어, 단면에서 볼 때 중앙부분이 소 두께부로 이루어지고, 그 양측 부분이 대 두께부로 이루어지며, 그 중앙부에 장방형의 공간부가 형성되는 베이스 플레이트와;

상기 베이스 플레이트의 공간부 하측을 제외한 부분에 2중으로 도포되며, 상기 공간부의 상측부에는 길이방향 양측이 절취되어 양단 고정보가 되도록 형성되는 내, 외측 박막층과;

상기 양단고정보의 중간부에 부착되어 현수되는 질량체와;

상기 양단 고정보와 질량체의 하측으로 형성되는 상,하부 전극과;

상기 베이스 플레이트의 양 대폭부 상하면에 형성되는 접착부 상,하부 전극과;

일면으로 띠상의 전극이 형성되어 이의 전극이 양단 고정보와 직교되는 방향에서 베이스 플레이트의 상하면에 부착되는 상,하부 유리를 포함하여 이루어지는 가변 임계 미소 스위치를 제공한다.

또한, 스위칭 형상을 일으키기 위하여 초기에 설정된 양만큼 베이스 플레이트에 상하면에 단차를 형성함과 동시에 접착제 홈을 식각하는 제1공정과;

보의 두께를 결정하기 위하여 불순물(붕소 등)을 베이스 플레이트 위로 침투시켜 내,외측 박막층을 형성한 후, 하부 단차를 형성하기 위하여 하측면 중간부분을 식각 용액에서 일정깊이로 식각하는 제2공정과;

식각 방지층을 이용하여 베이스 플레이트의 중간부를 부분 식각하여 질량체와, 상기 질량체의 외측으로 사각박막을 얻는 제3공정과;

붕소 등의 불순물을 침투시킴으로써, 베이스 기판의 저항을 저하시켜 전도성이 있는 하부전극을 형성한 후, 외측 박막층을 제거하는 제4공정과;

내측 박막층에 열산화막을 입혀줌으로써, 이들 박막층에 존재하는 잔류응력의 차에 의하여 초기변형을 얻는 제5공정과;

이종재료로 이루어지는 내,외측 박막층의 일부를 식각하여 양단 고정보를 제작하는 제6공정과;

질량체와 양단 고정보의 상면에 상부전극을 형성하는 제7공정과;

양단 고정보와 질량체의 하측으로 형성된 상,하부 전극과 상,하 평판 유리에 형성된 전극을 일치하도록 정렬한 후에 접착제 홈에 접착제를 충진하여 접합시키는 제8공정으로 이루어지는 가변 임계 미소 스위치의 제조방법을 제공한다.

이하, 상기의 목적을 구체적으로 실시할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1도 내지 제3도는 본 발명에 의한 미소 스위치의 사시도 및 그의 종,횡단면도로서, 부호 2는 베이스 플레이트를 지칭한다.

상기 베이스 플레이트(2)는 실리콘 기판으로 이루어지며, 그 길이방향 중앙부의 상하부가 소정의 폭을 갖고 요입되어, 단면에서 볼 때 중앙부분이 소 두께부(4)로 이루어지고, 그 양측 부분이 대 두께부(6)(8)로 이루어진다.

그리고 상기 소 두께부(4)에는 그의 중앙으로 장방형의 공간부(10)가 이루어지며, 대 두께부(6)(8)의 상하측으로는 소정의 깊이로 요입되는 접착제 홈(12)(14)이 형성된다.

상기에서 장방향의 공간부(10)는 그 4개의 변이 하측으로 확개되는 형태의 경사면으로 이루어진다.

상기와 같은 베이스 플레이트(2)의 외측면에는 서로 다른 잔류 응력을 갖는 내,외측 박막층(16)(18)이 중첩 형성되는데, 이때 상기 장방형 공간부(10)의 중간부에는 길이방향 양측으로 절취되어 띠상으로 양단 고정부(22)가 형성되며, 이의 양단 고정보(22)의 중앙부분에는 역 사다리꼴 육면체로 이루어지는 질량체(20)가 부착 현수된다.

상기에서 양단 고정보(22)는 상기 내,외측 박막층(16)(18)과 동일재질로 이루어지며, 이에 현수되는 질량체(20)는 상기 양단 고정보(22)와 접하지 않는 5개의 면이 내측 박막층(16)에 의해 도포된 상태이며, 그의 하면에는 하부 전극(24)이 형성된다.

그리고 상기 소 두께부(4)와 접착제 홈(12)(14) 사이의 대 두께부(6)(8) 상하면에는 띠상의 상하 접착부 전극(26)(28)이 길이방향으로 형성되며, 상기 양단 고정보(22)의 상면에는 상부전극(30)이 형성된다.

상기에서 상부전극(30)은 양단 고정보(22)의 전체길이를 수용하는 소폭부(32)의 양단으로 장방형의 대폭부(34)가 형성되는 형태로 이루어진다.

그리고 상기 장방형으로 이루어지는 상,하부 유리(36)(38)의 중앙부 하면에는 길이방향으로 띠상의 유리전극(40)(42)이 형성되어 상기 상부전극(30)과 교차하는 방향에서 질량체(20)의 직하방에 위치할 수 있도록 부착되는 구성을 갖는다.

상기에서 베이스 플레이트(2)에 상,하부 유리(36)(38)를 접착시킴에 있어서는 뉴테딕 본딩 또는 아노딕 본딩법에 의하여 접합한다.

이와 같이 이루어지는 구성되는 본 발명의 미소 스위치의 작동 원리를 설명하면 다음과 같다.

일예로서 초기변형이 있는 양단 고정보의 스냅좌굴 현상을 이용한 임계가속도 스위치를 위하여 제4도에서와 같이 초기변형을 갖는 양단 고정보에 의해 좌굴해석을 하면 양단 고정보의 횡방향 변형이 급속히 일어나는 좌굴 조건식을 얻을 수 있다.

여기서 (ω₀)_max는 양단 고정보(22)의 중심에서 처짐, I는 보 단면 관성 모우멘트, A는 보의 단면적을 각각 나타낸다.

만약 양단 고정보(22)의 두께가 h인 사각 단면보의 경우, 상기 식(I)는 아래와 같이 간단화 된다.

먼저 상기 식(I)에서 얻어진 스넵좌루 좌굴 조건을 만족하는 구조물을 제작하기 위하여 잔류 응력이 서로 다른 내,외측 박막층(16)(18), 그리고 상부전극(30)으로 이루어진 복합층에서 중립축의 위치를 구하고, 이로부터 선형 탄성이론을 적용하여 중심에서의 초기 처짐을 구하면 된다.

여기서 M_σ는 내,외측 박막층(16)(18)간의 잔류응력 차이에서 발생한 모우멘트이고, L은 보(22)의 길이이다.

그리고 스냅스루 좌굴을 일으키기 위한 임계하중을 구하면 다음과 같다.

이때, 스냅스루 좌굴을 일으키는 임계하중은 전극간 인가전압에 의한 정전기력과 가속도에 의한 관성력의 힘으로 표시할 수 있다.

여기서 전극간 정전력에 의한 하중은 다음과 같이 표시된다.

따라서 초기변형이 있는 양단 고정보(22)의 상하단부 전극(30)(24)와 대향되는 유리전극(40)(42) 사이의 전압 조정을 통하여 정전기력을 조절하면, 상기 식(V)에서 양단 고정보(22)의 스냅스루를 일으키기 위하여 필요한 가속도 즉, 관성력을 조절할 수 있게 된다.

이때, 스냅스루에 의한 스위칭 현상은 전극간의 접촉 혹은 전극간의 정전용량변화로 판단할 수 있게 된다.

또한, 가속도가 없는 상태에서 정전력만으로도 스냅스루 현상을 발생시킬 수 있으며, 이러한 특성을 이용하여 전압 차단기, 스위치, 릴레이, 가변콘덴서, 미소 물체고정 및 정렬기구, 기계식 논리소자 및 기어소자 등을 구성할 수 있으며, 스위치 자체의 성능을 판단하는 자체시험을 행할 수 있게 된다.

상기에서 자체시험이라 함은, 전극과 양극 양단간에 전압을 가하면 양단 고정보의 길이에 따라 일정한 전압에서 변형하여 전극과 전극이 접촉하면서 전류가 흐르게 되는데, 만약 원하는 설계조건대로 제작되지 않거나, 전극이 파손되는 경우에는 일정한 전압에서 스냅스루 현상이 발생되지 않음으로써, 전류가 흐르지 않고, 다른 전류를 검지하면서 성능 상에 문제가 있는 것을 발견하게 된다.

이러한 일련의 과정을 통하여 성능을 검사할 수 있는 것이 자체 성능시험이다.

상기와 같이 구성 동작되는 본 발명의 미소 스위치의 제조공정을 살펴보면 다음과 같다.

먼저 제1공정에서는 제5도(a)에서와 같이, 스위칭 현상을 일으키기 위하여 초기에 설정된 양만큼 베이스 플레이트(2)에 상하면에 단차를 형성함과 동시에 접착제 홈(12)(14)를 식각한다.

그리고 제2공정에서는 제5도(b)에서와 같이, 보의 두께를 결정하기 위하여 불순물(붕소 등)을 베이스 플레이트(2) 위로 침투시켜 내,외측 박막층(16)(18)을 형성한 후, 하부 단차를 형성하기 위하여 하측면 중간부분을 식각 용액에서 일정깊이로 식각하게 된다.

이때, 서로 다른 내,외측 박막층(16)(18)을 제거하고 남은 부분을 식각 방지층으로 사용한다.

상기에서 내측 박막층(16)은 식각 방지층이며, 외측 박막층(18)은 잔류응력층으로 이루어진다.

제3공정에서는 제5도(c)에서와 같이, 식각 방지층을 이용하여 베이스 플레이트(2)의 중간부를 부분식각하여 질량체(20)와, 상기 질량체(20)의 외측으로 사각박막(44)을 얻는다.

제4공정에서는 제5도(d)에서와 같이, 하부 전극(24)을 얻기 위한 것으로서, 외측 박막층(18)을 제거한 후, 붕소 등의 불순물을 침투시킴으로써, 전도성이 있는 전극(24)을 형성한다.

제5공정에서는 제5도(e)에서와 같이, 상기 내측 박막층(16)에 열산화막을 입혀줌으로써, 이들 박막층에 존재하는 잔류응력의 차에 의하여 초기변형을 얻는다.

제6공정에서는 제5도(f)에서와 같이, 이종재료로 이루어지는 내,외측 박막층(16)(18)의 일부를 식각하여 양단 고정보(22)를 제작한다.

제7공정에서는 제5도(g)에서와 같이, 질량체(20)와 양단 고정보(22)의 상면에 상부전극(30)을 형성한다.

제8공정에서는 제5도(h)에서와 같이 양단 고정보(22)와 질량체(20)의 하측으로 형성된 상,하부 전극(30)(24)와 상,하 평판 유리(36)(38)에 형성된 전극(40)(42)를 일치하도록 정렬한 후에 접착제 홈(12)(14)에 접착제를 충진하여 접합시켜 미소 스위치의 제조를 완료하게 되는 것이다.

그리고 제6도는 상기와 같이 제작된 스위치의 작동여부를 확인하기 위하여 상부전극(30)과 유리전극(40)에 인가전압에 따른 전류의 흐름을 측정한 결과를 도시한 것이며, 제7도는 양단 고정보(22) 중앙에 7μg의 질량체(20)을 형성한 경우, 상부전극(30)과 유리전극(40)의 양단 전극간 전압을 조절함으로써, 3종의 서로 다른 길이의 양단 고정보에서 각각 조절이 가능한 임계가속도 범위를 나타내기 위하여, 전극간 전압과 임계가속도의 관계를 보인 그래프선도이다.

이상에서와 같은 본 발명의 미소 스위치에 의하면, 구조적으로는 다음과 같은 효과를 얻을 수 있게 된다.

첫째, 잔류응력이 서로 다른 내,외측 박막층으로 양단 고정보를 구성하여 원하는 초기변형을 얻을 수 있고, 양단 고정보의 상,하부 전극과 상,하 유리전극간의 전압을 조절하여 양 방향 임계가속도를 독립적으로 조절할 수 있게 된다.

둘째, 스위치 작동후 양단 고정보의 상,하부전극과 상하 유리전극 사이에 전압을 가해 스위치를 원상태로 초기화가 가능하며, 스위치 작동 후 반복사용이 가능하게 되며, 가속도가 가해지지 않은 상태에서도 전극간 전압만으로 초기변형이 양단 고정보의 접속이 가능하여 전압 차단기 및 스위치, 릴레이 등으로도 사용할 수 있다.

또한, 제조공정의 특징에 의한 효과는

첫째, 반도체 미세가공 공정을 이용하여 동일평판 재질로 미소 스위치용 스프링보와 질량체를 일체로형으로 동시 제작함으로써, 조립공정의 단순화를 기할 수 있으며, 잔류응력이 서로 다른 박막층으로 양단 고정보를 제작함으로써, 다양한 이종 박막사용이 가능하고, 박막간의 잔류 응력차를 조절하여 원하는 크기의 초기변형을 얻을 수 있게 된다.

둘째, 보의 두께를 이용하여 식각이 더 이상 진행되지 못하도록 함으로써, 제조공정에서 발생될 수 있는 제작오차를 줄일 수 있으며, 불순물 침투로 인한 잔류응력을 보의 초기변형 발생에 동시에 이용할 수 있게 된다.

셋째, 스위칭 현상을 위한 틈새와 접착제 홈이 동시에 제작됨으로써, 공정의 효율을 높이고, 상하 유리를 사용함으로써, 기생 정전용량을 최소화함과 동시에 상,하부 정렬고정에 용이성이 있게 된다.

Claims (10)

1. 실리콘 기판으로 이루어지며, 그 길이방향 중앙부의 상하부가 소정의 폭을 갖고 요입되어, 단면에서 볼 때 중앙부분이 소 두께부로 이루어지고, 그 양측 부분이 대 두께부로 이루어지며, 그 중앙부에 공간부가 형성되는 베이스 플레이트와; 상기 베이스 플레이트의 공간부 하측을 제외한 부분에 2중으로 도포되며, 상기 공간부의 상측부에는 길이방향 양측이 절취되어 양단 고정보가 되도록 형성되는 내,외측 박막층과; 상기 양단 고정보의 중간부에 부착되어 현수되는 질량체와; 상기 양단 고정보와 질량체의 하측으로 형성되는 상,하부 전극과; 상기 베이스 플레이트의 양 대폭부 상하면에 형성되는 접착부 상,하부 전극과; 일면으로 띠상의 전극이 형성되어 이의 전극이 양단 고정보와 직교되는 방향에서 베이스 플레이트의 상하면에 부착되는 상,하부 유리를 포함하여 이루어지는 가변 임계 미소 스위치.
2. 제1항에 있어서, 공간부는 그 4개의 변이 하측으로 확개되는 형태의 경사면으로 이루어짐을 특징으로 하는 가변 임계 미소 스위치.
3. 제1항에 있어서, 질량체는 역 육면체로 형성함을 특징으로 하는 가변 임계 미소 스위치.
4. 제1항에 있어서, 상부전극은 양단 고정보의 전체길이를 수용하는 소폭부의 양단으로 장방형의 대폭부가 형성되는 형태로 이루어짐을 특징으로 하는 가변 임계 미소 스위치.
5. 제1항에 있어서, 하부전극은 질량체의 상기 양단 고정보와 접하지 않는 5개의 면이 내측 박막층에 의해 도포된 상태에서 그의 하면에 형성됨을 특징으로 하는 가변 임계 미소 스위치.
6. 제1항에 있어서, 상,하 유리는 베이스 플레이트의 대 두께부 상하면에 형성된 접착제 홈에 충진되는 접착제에 의하여 접착이 이루어짐을 특징으로 하는 가변 임계 미소 스위치.
7. 제1항에 있어서, 양단 고정보는 상부 전극과 상부 유리전극에 인가되는 전압에 의해 스냅스루 현상을 일으켜 자체 진단기능을 갖도록 형성함을 특징으로 하는 가변 임계 미소 스위치.
8. 제1항에 있어서, 양단 고정보는 가속도가 가해지지 않은 상태에서 전극간의 전압만으로 변형을 이루면서 스위칭 및 정전용량 변화를 얻을 수 있도록 초기변형이 이루어지도록 한 것을 특징으로 하는 가변 임계 미소 스위치.
9. 스위칭 현상을 일으키기 위하여 초기에 설정된 양만큼 베이스 플레이트에 상하면에 단차를 형성하는 제1공정과; 보의 두께를 결정하기 위하여 불순물(붕소 등)을 베이스 플레이트 위로 침투시켜 내,외측 박막층을 형성한 후, 하부 단차를 형성하기 위하여 하측면 중간부분을 식각 용액에서 일정깊이로 식각하는 제2공정과; 식각 방지층을 이용하여 베이스 플레이트의 중간부를 부분식각하여 질량체와, 상기 질량체의 외측으로 식각박막을 얻는 제3공정과; 붕소 등의 불순물을 침투시킴으로써, 베이스 기판의 저항을 저하시켜 전도성이 있는 하부전극을 형성한 후, 외측 박막층을 제거하는 제4공정과; 내측 박막층에 열산화막을 입혀줌으로써, 이를 박막층에 존재하는 잔류응력의 차에 의하여 초기변형을 얻는 제5공정과; 이종재료로 이루어지는 내,외측 박막층의 일부를 식각하여 양단 고정보를 제작하는 제6공정과; 질량체와 양단 고정보의 상면에 상부전극을 형성하는 제7공정과; 양단 고정보와 질량체의 하측으로 형성된 상,하부 전극과 상,하 평판 유리에 형성된 전극을 일치하도록 정렬한 후에 접착제 홈에 접착제를 충진하여 접합시키는 제8공정으로 이루어지는 가변 임계 미소 스위치의 제조방법.
10. 제9항에 있어서, 제1공정에서 베이스 플레이트의 양측부에 접착제 홈을 식각하여 이에 충진되는 접착제에 의하여 상하 유리를 접합할 수 있도록 한 가변 임계 미소 스위치의 제조방법.